Betaflight | Фильтрация оборотов DShot (RPM Filtering)

Прошивки поддерживающие dshot rpm filtering

Bluejay — это новое бесплатное и хорошо поддерживаемое прошивка BlHeli-S, поддерживающая телеметрию DShot с широким набором опций. Её можно легко прошивать с помощью онлайн-конфигуратора ESC по адресу https://esc-configurator.com, который позволяет прошивать как BlHeli-S, так и Bluejay на BLHeli-S ESC, а также AM32 на BLHeli-32 ESC.

JESC была первой прошивкой ESC, поддерживающей фильтрацию оборотов (RPM filtering) на BLHeli_S ESC. Она была написана JoeLucid, который также разработал код DShot телеметрии, лежащий в основе всей двунаправленной функциональности DShot, такой как Dynamic Idle и RPM Filtering. JESC бесплатна для ESC серии L, но для ESC серии H требуется оплата. Доступны версии с частотой ШИМ 48 кГц и 96 кГц.

BlHeli-32 полностью поддерживает двунаправленный DShot, начиная с версии 32.7.0.

AM32 также можно прошить (но сложно откатить) на ESC типа BlHeli-32 и она также полностью поддерживает двунаправленный DShot.

Введение

Двунаправленная телеметрия DShot позволяет ESC передавать данные об оборотах обратно на полётный контроллер по тому же одному проводу, который мы используем для управления ESC. Когда полётный контроллер знает обороты каждого двигателя, он может установить полосовые фильтры (notch filters) точно на нужной частоте, чтобы убрать этот шум. Мы также можем использовать информацию об оборотах для динамического управления холостыми оборотами и предотвращения их чрезмерного падения. Это функция Dynamic Idle, которая обеспечивает лучшую защиту от рассинхронизации ESC, чем традиционные холостые обороты.

Фильтрация по оборотам (RPM filtering) обеспечивает лучший контроль над шумом, связанным с оборотами двигателя, чем это было возможно ранее. Двигатели становятся холоднее, лучше переносят погнутые пропеллеры, а звук на полном газу становится чище и часто быстрее.

Благодаря фильтрации по оборотам динамический полосовой фильтр может быть более узким, что снижает задержку, и поскольку ему больше не нужно отслеживать шум, связанный с оборотами двигателя, он теперь лучше справляется с устранением резонансов рамы. Конфигуратор автоматически вносит эти корректировки при включении или отключении фильтрации по оборотам.

На чистых квадрокоптерах задержку фильтра нижних частот обычно можно улучшить, повысив частоты среза или отключив некоторые гироскопические фильтры после включения фильтрации по оборотам. Это следует делать осторожно, предварительно ознакомившись с руководством по настройке.

Технологическая основа:

• Двунаправленный DShot — новая функция в Betaflight 4.x, позволяющая полётному контроллеру получать точные данные о частоте вращения (RPM) через линию сигнала ESC каждого двигателя. Не требуется дополнительная проводка или отдельный канал телеметрии. Каждый кадр DShot от FC подтверждается кадром от ESC, содержащим текущие eRPM. FC использует количество полюсов двигателя для преобразования eRPM в RPM.
• Фильтрация по оборотам (RPM filtering) — это группа из 36 полосовых фильтров на гироскоп и (опционально) на Dterm, которые используют данные телеметрии оборотов для точного удаления шума двигателей. По умолчанию работает по 12 полосовых фильтров на тангаж, крен и рыскание, охватывая первые 3 гармоники шумового сигнала каждого двигателя.
• Расширенный стандарт телеметрии DShot (Extended DShot) стандартизирует формат, используемый для телеметрии оборотов, в расширяемый протокол телеметрии, который может использоваться для измерения напряжения ESC, температуры и других датчиков в тех случаях, когда отдельное соединение ESC по UART недоступно. Телеметрия оборотов обычно передаётся наиболее часто, а другие данные — с меньшей частотой. EDT v1.0 добавляет телеметрию напряжения, тока и температуры к базовым данным об оборотах. EDT v2.0 добавляет данные о состоянии для сигнализации событий демагнитизации (demag), рассинхронизации (desync) и остановки (stall), а также метрику максимальной демагнитизации (max demag).

Для работы фильтрации по оборотам ESC должна поддерживать протокол двунаправленного DShot, и двунаправленный DShot должен быть включён в CLI.

Эти две функции поддерживаются BetaFlight 4.1 и выше на всех полётных контроллерах, а также на большинстве современных ESC BlHeli_32 и BlHeli-S. Betaflight 4.0 больше не поддерживается.

Вот демонстрация в полёте. Квадрокоптер имеет минимальную фильтрацию, кроме фильтрации по оборотам, хорошо управляется и почти не подвержен prop wash: https://youtu.be/jwFYaGHp91c, https://youtu.be/SoG245vmaLo ( youtube в РФ знаете как работает .... )

Проверка перед включением (Arming Prevention Check)

Если фильтр оборотов включён, но один или несколько ESC не предоставляют корректные данные телеметрии, включение запрещается, и на OSD появляется сообщение RPMFILTER (см. раздел «Arming Sequence & Safety»). Это предотвращает запуск с неполной или неисправной конфигурацией, которая может привести к улету или перегреву двигателей. См. ниже, чтобы убедиться, что ESC правильно настроены для поддержки этой функции.

Настройка ESC

Ваш ESC должен поддерживать DShot и работать на подходящей прошивке, поддерживающей фильтрацию оборотов. В минимальном случае требуется телеметрия оборотов, поэтому ESC должен поддерживать двунаправленный DShot. Поскольку EDT расширяет двунаправленный DShot, любой ESC, поддерживающий EDT, также поддерживает телеметрию оборотов.

Настройка Betaflight

Количество полюсов двигателя

При использовании режима 8k8k выберите DShot600. ESC передают eRPM. Это значение необходимо преобразовать в RPM, используя количество магнитов двигателя. Магниты, которые нужно считать, находятся на колоколе двигателя. Не считайте статоры, где расположены обмотки. У типичных 5-дюймовых двигателей 14 магнитов, поэтому это значение по умолчанию. У более мелких двигателей меньше магнитов, часто 12. Посчитайте их или проверьте спецификации двигателя. Если у вас не 14 магнитов, измените количество полюсов в Betaflight Configurator на вкладке Configuration.

DShot150, DShot300 или DShot600?

• Для циклов PID 4к (например, 8k4k или 4k4k) или 3.2к используйте DShot 300 для наибольшей надёжности; DShot 600 можно использовать, но он не даёт преимуществ и более чувствителен к внешним помехам.
• Для настроек 8k8k следует использовать DShot600. При циклах PID 8к DShot300 будет обновлять двигатели только на каждом втором цикле PID.
• На старых ESC серии L (efm8bb1) настоятельно рекомендуется использовать DShot150 и цикл PID 2к (8k2k), поскольку тактовая частота МК слишком низкая для надёжного приёма данных на более высоких скоростях.

Фрагмент конфигурации (Config Snippet)

Начиная с версии 4.1 и выше, больше не нужно устанавливать фрагмент конфигурации. Вместо этого просто используйте Betaflight Configurator и включите двунаправленный DShot на вкладке Configuration.

Проверка конфигурации

Теперь ваш FC настроен на двунаправленный DShot — давайте проверим, как это работает. Для этого перезагрузите FC и ESC. Сначала подключите LIPO к ESC, затем USB-кабель. Теперь откройте вкладку Motors в Betaflight Configurator. На двигателях не должно быть красной линии, указывающей на серьёзные ошибки. При вращении двигателей вы должны видеть отображаемые обороты. Процент ошибок не должен превышать 1%. Все двигатели должны показывать 0 оборотов, если они не вращаются.

Важно: если вы подключите FC через USB-кабель без подключения батареи LIPO, то на вкладке Motors в Betaflight Configurator вы увидите недопустимое значение «Ошибка 100%» (E: 100%). Подключите LIPO и дождитесь инициализации ESC — значение ошибки снизится до 0% (E: 0%). После отключения батареи ошибка будет оставаться 0%.

Настройка

Фильтр по оборотам берёт на себя основную нагрузку по удалению почти всего шума двигателей без добавления значительной задержки.

Как правило, никакой «настройки» не требуется.

Хотя фильтрация по оборотам удаляет почти весь шум двигателей, общий «фоновый» шум от подшипников, ветра и турбулентности не будет устранён фильтрами по оборотам.

Для подавления этих шумов по-прежнему требуется фильтрация нижних частот.

Резонансы рамы или пропеллеров, проявляющиеся в виде больших линий шума на фиксированных частотах, не будут устранены фильтрами по оборотам; с ними лучше всего бороться, оставив активным динамический режущий фильтр (Dynamic Notch).

Динамический режущий фильтр необходимо перенастроить при активной фильтрации по оборотам, поскольку теперь ему больше не нужно устранять шум двигателей. В версии 4.1 установите диапазон динамического режущего фильтра в Medium, ширину (Dynamic Notch Width Percent) в 0 и Q-фактор (Dynamic Notch Q) в 250. В версиях 4.2 и выше установите количество динамических режущих фильтров (Dynamic Notch Count) в 1, а Q-фактор в 500. В версии 4.3 Конфигуратор внесёт эти изменения автоматически.

Для существующих сборок, которые уже хорошо летают, не меняйте настройки фильтров при первых полётах после включения фильтрации по оборотам.

Если ваши двигатели работают холодно и звучат хорошо, вы, возможно, сможете уменьшить задержку фильтрации, уменьшив или убрав некоторые другие фильтры. Вы можете:

• повысить частоты среза фильтров нижних частот на гироскопе;
• полностью отключить первый фильтр нижних частот на гироскопе (установив частоту среза в 0 или отключив его);
• увеличить Q-фактор фильтра по оборотам, сделав режущие фильтры уже и снизив задержку. Значения выше 750 не рекомендуются.
• уменьшить количество динамических режущих фильтров (ширина = 0 для 4.1, количество = 1 для 4.2 и выше);
• увеличить Q-фактор динамического режущего фильтра (не превышайте 750);
• преобразовать существующие биквадратные фильтры (biquad), если они есть, в фильтры PT1.

Каждое из этих действий пропускает больше шума через банк фильтров к ПИД-регуляторам, а затем к двигателям.

Фильтры следует изменять по одному. После каждого изменения обязательно выполняйте тестовый полёт на месте (hover) и короткий испытательный полёт. Внимательно слушайте двигатели и быстро приземлитесь, чтобы убедиться, что двигатели не перегреваются. Затем повторите с более продолжительным полётом и снова проверьте температуру двигателей после посадки.

Чёрный ящик (Blackbox logging), до и после изменений, и использование PID Toolbox для просмотра спектральных графиков очень полезны. Логирование может помочь вам определить, какие фильтры можно отключить или не нужны, и проверить, не появился ли внезапно избыточный шум после изменений.

Лучше всего сохранить полный diff-список ваших начальных настроек фильтров перед внесением изменений, чтобы можно было вернуться назад.

Изменение фильтров в 4.1 после добавления фильтрации по оборотам (не относится к 4.2 или 4.3)

Одновременное повышение всех значений фильтров на одинаковую величину, вероятно, является самым безопасным и надёжным способом уменьшения задержки фильтрации.

Следующий фрагмент сдвигает все фильтры нижних частот 4.1 вверх примерно на 50%, снижая общую задержку до 2,3 мс на холостом ходу и 0,9 мс на полном газу:

# 4.1 lowpass filter set shifted up 1.5x
set gyro_lowpass_type= PT1
set gyro_lowpass_hz= 300
set dyn_lpf_gyro_min_hz= 300
set dyn_lpf_gyro_max_hz= 900
set gyro_lowpass2_type= PT1
set gyro_lowpass2_hz= 350
set dterm_lowpass_type= PT1
set dterm_lowpass_hz= 150
set dyn_lpf_dterm_min_hz= 100
set dyn_lpf_dterm_max_hz= 250
set dterm_lowpass2_type= PT1
set dterm_lowpass2_hz= 200

Если вы начинали с фильтров по умолчанию в 4.1, это будет скромным, но значительным изменением. Вы должны заметить улучшение управления при шуме от пропеллеров. Если при первом запуске квадрокоптер издаёт скрежет или странные звуки и подпрыгивает при включении или зависании, как правило, вы слишком сильно увеличили фильтры или у вас слишком много D. Не летайте в таком состоянии.

Следующим шагом может быть увеличение в 2 раза. Только самые чистые квадрокоптеры будут работать нормально при фильтрах, вдвое выше обычных. Однако задержка фильтрации теперь вдвое меньше обычной, что может значительно помочь при шуме от пропеллеров. Ниже приведены настройки фильтров 4.1, увеличенные в 2 раза; общая задержка составляет 1,7 мс на холостом ходу и 0,65 мс на полном газу:

# 4.1 lowpass filter set shifted up 2x
set gyro_lowpass_hz= 400
set dyn_lpf_gyro_max_hz= 1000
set dyn_lpf_gyro_min_hz= 400
set gyro_lowpass2_type= PT1
set gyro_lowpass2_hz= 500
set dterm_lowpass_type= PT1
set dterm_lowpass_hz= 200
set dyn_lpf_dterm_max_hz= 340
set dyn_lpf_dterm_min_hz= 140
set dterm_lowpass2_type= PT1
set dterm_lowpass2_hz= 300

Полное отключение фильтров нижних частот

Чтобы полностью отключить фильтры нижних частот, не сжигая при этом двигатели, вам нужна механически прочная конструкция, без расслоившихся рычагов, ослабленных болтов, неисправного гироскопа или шумных подшипников двигателя.

Отключение фильтров оказывает довольно существенное влияние и должно выполняться только теми, кто хорошо разбирается в фильтрации. Как правило, безопаснее изменять фильтры группой вверх или вниз, как описано выше.

Следующие команды полностью отключат первый фильтр нижних частот на гироскопе:

set gyro_lowpass_hz= 0
set dyn_lpf_gyro_max_hz= 0

Мы не рекомендуем отключать оба фильтра нижних частот на гироскопе (1 и 2), если вы не уверены, что сборка действительно чистая.

Это полностью отключит второй фильтр нижних частот на гироскопе:

set gyro_lowpass2_hz= 0

Полное отключение фильтров D крайне опасно. Минимум два фильтра PT1 (как по умолчанию) или один фильтр нижних частот второго порядка (biquad или PT2) необходимы для всех квадрокоптеров. Снижение фильтрации D крайне опасно. Можно легко сжечь двигатели. Если вы хотите экспериментировать с уменьшением фильтрации D, делайте это очень осторожно.

Настройка динамического режущего фильтра (Dynamic Notch) при фильтрации по оборотам

В версиях 4.1 и 4.2 необходимо вручную перенастроить динамический режущий фильтр на более узкую конфигурацию с одним фильтром, что сэкономит время задержки. В версии 4.3 соответствующие изменения вносятся автоматически при включении или отключении фильтрации по оборотам, что значительно упрощает настройку.

Следующие примечания относятся только к версии 4.1:

• В 4.1 по умолчанию диапазон динамического режущего фильтра установлен в режим AUTO и использует значение dyn_lpf_gyro_max_hz для выбора диапазона частот, в котором будет работать динамический режущий фильтр.
• Поскольку резонансы рамы обычно происходят в диапазоне LOW или MEDIUM динамического режущего фильтра, лучше при использовании фильтрации по оборотам вручную настроить динамический режущий фильтр на один из этих диапазонов. Если вы знаете, что у вас нет резонансов ниже 150 Гц, выбор MEDIUM снизит задержку и оставит динамический режущий фильтр на более высоких частотах.
• Если вы хотите, чтобы динамический режущий фильтр оставался выше определённой минимальной частоты, потому что вы знаете, что резонансов ниже этого значения нет, установите минимальную частоту динамического режущего фильтра соответствующим образом (чуть ниже целевого резонанса).

Например, следующий фрагмент позволит динамическому режущему фильтру работать в диапазоне от 90 до примерно 330 Гц с узким одиночным фильтром:

set dyn_notch_range= LOW
set dyn_notch_width_percent= 0
set dyn_notch_q= 200
set dyn_notch_min_hz= 90

Этот фрагмент позволит динамическому режущему фильтру работать в диапазоне от 180 до примерно 550 Гц с узким одиночным фильтром:

set dyn_notch_range= MEDIUM
set dyn_notch_width_percent= 0
set dyn_notch_q= 200
set dyn_notch_min_hz= 180

Если линия резонанса очень узкая, вы, вероятно, можете использовать Q-фактор динамического режущего фильтра 250. Более широкие или размытые полосы резонанса могут потребовать Q-фактора 120–150.

Всегда лучше сравнивать спектры с включённым и выключенным динамическим фильтром, чтобы точно понять, что он делает.

На жёстких сборках без резонансов можно полностью отключить динамический режущий фильтр, но делать это нужно с осторожностью, и лучше всего протестировать это с помощью логирования до и после, чтобы подтвердить, что он не вносит значимого вклада в результат.

Расширенные темы

Двунаправленный DShot на основе таймера (Timer Based Bidirectional DShot)

Если ваш FC поддерживает, вы можете использовать реализацию двунаправленного DShot на основе таймера, чтобы немного снизить нагрузку на процессор. До версии 4.1 RC1 это была единственная доступная реализация. Её недостаток в том, что она требует переназначения таймеров и каналов DMA на некоторых платах и не работает везде.

Не отчащайтесь, если ваша платформа не указана в списке. Многие платформы будут работать. Используйте этот Default Snippet, попробуйте и сообщите о результатах.

Начиная с 4.1 RC1 необходимо отключить реализацию DShot по умолчанию, используя команду:

set dshot_bitbang=off

Не забудьте вернуть это значение обратно в auto, если захотите переключиться обратно на DShot bitbang.

Snippet'ы для поддерживаемых платформ

Время цикла и протокол DShot

Двунаправленный DShot работает с DShot 300, 600 и 1200, а также с Proshot 1000. На практике DShot 600 хорошо работает на всех частотах циклов PID.

Помните, что для каждого отправленного кадра теперь будет приходить обратно один кадр, и между входным и выходным кадрами есть период в 30 мкс для переключения линии, DMA и таймеров. Выбор времени цикла должен быть достаточно низким, чтобы с учётом скорости протокола DShot оба кадра + 50 мкс уместились в одну итерацию цикла гироскопа.

И двунаправленный DShot, и фильтр по оборотам довольно интенсивно используют процессор, и очень важно, чтобы частоты циклов были точно настроены, чтобы фильтры настраивались на правильные частоты. Рекомендуется запускать 4к/4к с DShot 600 для первого тестового полёта. Все скорости DShot должны работать на этой частоте цикла.

На F4 телеметрия оборотов занимает около 3–4 мкс на двигатель на каждое изменение направления линии. Примерно 24–32 мкс требуется для переключения направления линии в обоих направлениях. Фильтр по оборотам имеет 36 режущих фильтров, которые динамически настраиваются с частотой обновления 1000 Гц.

8k4k хорошо работает на большинстве F405; 8k8k возможно, но часто требует разгона. F411 потребуют разгона для работы на 8k4k. F7 работают на 8k8k без проблем.

Вам может потребоваться отключить расширенную стартовую мелодию, так как она может мешать двунаправленному DShot. Стандартные стартовые сигналы в порядке.

DMA

Текущая реализация требует использования обычного DMA, а не burst DMA. Отключение burst DMA само по себе может не работать с определённым FC. Вы можете попробовать заранее:

set dshot_burst= OFF

и проверить, продолжает ли ваш квадрокоптер летать. Если да — переходите к следующему шагу:

Включение новой политики планировщика

Поскольку фильтр по оборотам работает с очень узкими режущими фильтрами, крайне важно, чтобы время цикла гироскопа не изменялось и было точно таким, как указано. Раньше это требовало низких частот циклов и разгона. Теперь добавлено изменение планировщика, которое позволяет стабильные частоты гироскопа даже при более высоких частотах циклов.

Двунаправленный DShot требует включения этой функции:

set scheduler_optimize_rate= ON

Включение двунаправленного DShot

set dshot_bidir= ON

Проверьте, вращаются ли ваши двигатели. Если да, отключите USB-кабель, подключите аккумулятор и снова подключите USB. Теперь зайдите в CLI и введите команду status. Вы должны увидеть, что телеметрия DShot передаётся. Указанные обороты должны быть нулевыми для каждого двигателя, и ошибок должно быть немного.

Количество полюсов двигателя

ESC передают eRPM, которые необходимо преобразовать в RPM с использованием количества полюсов (магнитов) двигателя. Они находятся на колоколе двигателя, а не на статоре, где расположены обмотки. У типичных 5-дюймовых двигателей 14 полюсов, поэтому это значение по умолчанию. У более мелких двигателей меньше полюсов, часто 12. Посчитайте их или проверьте спецификации двигателя и настройте с помощью:

set motor_poles= 14

Проверка стабильности времени цикла

Важно:

После включения всех вышеперечисленных функций дважды проверьте, что частота вашего цикла стабильна. Если нет — выберите более низкую частоту цикла. Помните, что в отличие от эффективной фильтрации, время цикла оказывает минимальное влияние на полётные характеристики.

Для этого введите команду tasks в CLI и проверьте, соответствует ли частота гироскопа указанной (Примечание: батарея должна быть подключена к FC для получения точных результатов). Например:

# tasks
Task list rate/hz max/us avg/us maxload avgload total/ms
00-(SYSTEM) 10 1 0 0.5% 0.0% 0
01-(SYSTEM) 1000 3 1 0.8% 0.6% 522
02-(GYRO/PID) 7999 43 34 34.8% 27.6% 2845
03-(ACC) 1000 12 10 1.7% 1.5% 107
04-(ATTITUDE) 100 17 10 0.6% 0.6% 11
05-(RX) 32 34 32 0.6% 0.6% 12
06-(SERIAL) 100 851 3 9.0% 0.5% 8
08-(BATTERY_VOLTAGE) 50 4 2 0.5% 0.5% 1
09-(BATTERY_CURRENT) 50 1 1 0.5% 0.5% 0
10-(BATTERY_ALERTS) 5 3 2 0.5% 0.5% 0
11-(BEEPER) 100 2 1 0.5% 0.5% 1
14-(BARO) 43 98 66 0.9% 0.7% 34
15-(ALTITUDE) 40 7 3 0.5% 0.5% 1
17-(TELEMETRY) 250 1 0 0.5% 0.0% 27
19-(OSD) 60 21 13 0.6% 0.5% 9
21-(CMS) 60 1 1 0.5% 0.5% 0
22-(VTXCTRL) 5 1 1 0.5% 0.5% 0
23-(CAMCTRL) 5 1 1 0.5% 0.5% 0
25-(ADCINTERNAL) 2 3 1 0.5% 0.5% 0
26-(PINIOBOX) 19 1 1 0.5% 0.5% 0
RX Check Function 2 1 0
Total(excluding SERIAL) 46.0% 37.1%

Вам нужно проверить строку GYRO/PID:

02-(GYRO/PID) 7999 43 34 34.8% 27.6% 2845

В данном случае у нас настроен цикл гироскопа/PID 8k/8k, и строка показывает, что он выполняется на частоте 7999 Гц. Это должно быть очень близко к значению 8k (8000 Гц). Рекомендуется поддерживать погрешность ниже 1%.

Режимы отладки

Существует два режима отладки Blackbox для проверки фильтра по оборотам:

• RPM_FILTER — записывает частоту каждого двигателя, сообщаемую ESC.
• DSHOT_RPM_TELEMETRY — записывает необработанные eRPM.

TPA

Этот snippet установит сборку 4.0x на значение по умолчанию 4.1: 65% TPA только по D, начиная с 1250:

set tpa_rate= 65
set tpa_breakpoint= 1250

Ссылки

• Bidirectional DShot PR
• Rpm Filter PR

< Назад